在钻井过程中,自动垂直导向钻井工具通过控制导向块在给定方位产生导向所需的导向力,达到稳直或纠斜的目的,从而控制井眼轨迹、造成垂直井眼。因此,井下控制系统需要根据导向工具的井下姿态参数(即井斜角、工具面角)进行反馈控制,从而确保井眼轨迹的动态稳定。所以井下姿态的实时测量至关重要,是导向工具实现实时导向控制的前提条件。论文通过对垂直导向钻井工具姿态测量原理分析,研究了近垂直条件下采用重力加速度计测量工具姿态时的测不准和不可测问题,提出了重力加速度非正交测量方法。通过对典型姿态角度理论分析与计算推导,解算结果表明,与常规方法相比,非正交测量方法的姿态测量误差大大减小,改进效果显著,满足垂直导向钻井工具的测量精度要求。水力驱动装置的测试试验验证了重力加速度非正交测量方法的有效性。另外,垂直导向钻井工具在近钻头振动和工具旋转的钻井工作状态下,工具姿态参数的动态测量存在测不准问题。对此,提出了转速补偿方法以消除工具旋转对姿态测量的影响;采用LMS自适应滤波算法,可以有效滤除近钻头振动对测量的影响。数值仿真分析表明经过转速补偿和LMS自适应滤波后的井斜角测量误差可小于0.1°,工具面角测量误差小于6°,有效地提高了垂直导向钻井工具的动态测量精度。经实钻数据反演验证了该方法的有效性、可行性。导向工具在变速旋转情况下,采用转速补偿方法与LMS自适应滤波方法处理后的工具姿态仍存在较大测量误差,针对此问题,分析了磁通门姿态测量原理,及钻井条件下的姿态动态测量性能,提出了以“停钻”由加速度计测井斜、“钻进”由磁通门传感器测工具面角为特征的加速计与磁通门传感器组合测量方法。